Глава 6

Способы гашения электрической дуги

6-1. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ПРОДОЛЬНЫХ ЩЕЛЯХ

В современных аппаратах гашение дуги при отключении цепи осуществляется в дугогасительных устройствах, задача которых погасить дугу в малом объеме (желательно замкнутом), за малое время, при малом износе частей аппаратов, при заданных перенапряжениях, при малых звуковом и световом эффектах.

Весьма широкое распространение (особенно в низковольтных аппаратах) по­лучили дугогасительные устройства, камеры которых имеют продольные щели [5]. Продольной называют щель, ось которой совпадает по направлению с осью ствола дуги. В таких камерах основное воздействие осуществляется на ствол дуги. Охлаждение ствола дуги (отбор энергии) происходит за счет движения дуги через неподвижный воздух и охлаждающего действия стенок камеры. Явления у электро­дов (их всего два) здесь можно учитывать при переменном токе и напряжениях ниже 220 В. Движение дуги в устройствах с продольными щелями происходит за счет взаимодействия тока дуги с создаваемым внешним магнитным полем и полем контура тока.

Движение открытой дуги. Для лучшего уяснения условий движения дуги в продольных щелях рассмотрим некоторые явления в движущейся открытой дуге. При сколько-нибудь значительных токах открытая дуга имеет высокую проводимость. Так, на постоянном токе при токе свыше 100 А продольный гра­диент напряжения в открытой дуге составляет 6-8 В/см (кривая v = 0 на рис. 6-1), а для длинных дуг, где влияние паров металла электродов сказывается мало, градиент напряжения при тех же токах достигает 12 В/см. При переменном токе среднее значение градиента равно 15 В/см. Движение дуги с какой-то скоростью в неподвижном воздухе эквивалентно обдуву ее. Эффект интенсивного охлажде­ния приводит к существенному возрастанию продольного градиента напряжения, о чем можно судить по кривым рис. 6-1.

Для обеспечения перемещения дуги магнитное поле должно быть перпенди­кулярно оси дуги. Можно рассматривать дугу как проводник с током (рис. 6-2, а), расположенный в магнитном поле. Направление движения этого проводника опре­делится правилом «левой руки». В перпендикулярном относительно оси дуги

магнитном поле (рис. 6-2, а), а также в собственном магнитном поле контура тока (рис. 6-2, б) дуга получит поступа­тельное движение, вектор скорости ко­торого vn направлен по нормали к дуге. В радиальном магнитном поле (рис. 6-2, в) дуга будет двигаться по окружности или спирали. В однородном магнитном поле сила, действующая на единицу длины дуги, равна

где / — ток дуги; Н — суммарная напряженность магнитного поля (внешнего маг­нитного поля и собственного магнитного поля контура тока).

При движении дуга встречает сопротивление воздуха. В первом приближении можно принять его равным аэродинамическому сопротивлению движению твердого цилиндрического стержня. При установившемся равномерном движении сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

F2 = to2. (6-2)

При постоянной скорости движения дуги

Опыты показывают, что движущаяся дуга ведет себя не совсем так, как твер­дый стержень. Благодаря своей подвижности, наличию магнитного поля и встреч­ного потока газов дуга стремится свернуться в спираль и расщепиться на парал­лельные волокна, что замедляет скорость ее движения. Диаметр дуги также является величиной, зависящей от скорости, и поэтому уравнение (6-3) дает ка­чественную оценку зависимости скорости движения дуги от тока и напряженности магнитного поля. В большинстве электрических аппаратов нет неизменного маг­нитного поля гашения. Поле гашения создается отключаемым током и' пропор­ционально ему, т. е. Н = kl. В таком случае

v = Ы,где к обычно определяется экспериментально. В электрических аппаратах дуга перемещается по расходящимся контактам и рогам, ее длина изменяется а) 1„ 5/ „ $ от нуля до некоторого значения (рис. 6-3, б), при котором дуга гаснет. При этом появляется составляющая скорости v0, век­тор которой направлен по оси; v0 <§: vH, и при расчетах охлаж Рис. 6.3. Электрическая дуга на парал­лельных (а) и рогообразных (б) электро-

дения дуги ко можно не учитывать. Для уяснения закономерностей движения дуги в магнитном поле в зависимости от ее длины рас­смотрим кривую на рис. 6-4, ко­торая представляет собой зависимость скорости движения дуги от расстояния между параллельными электродами (рис. 6-3, а).

На участке / (0 < I < /х) имеет место не дуга, а перешеек из расплавленного металла, возникающий при расхождении контактов. Этот перешеек существует, пока электроды (контакты) не разойдутся на определенное расстояние / > /ь ко­торое зависит от значения отключаемого тока и материала электродов. Например, в опытах [5] предельное расстояние между электродами, при котором еще возни­кал перешеек из расплавленного металла (/ = 7000 А), было равно 1 мм (электроды медные) и 2 мм (электроды стальные). Скорость движения перешейка чрезвычайно мала, а при расстоянии между электродами меньше 0,5 мм он может и вовсе не двигаться даже при наличии значительного магнитного поля. Отсюда следует, что в выключающих аппаратах дуга не может выйти из промежутка между кон­тактами, пока они не разойдутся на расстояние больше 0,5—1 мм.

На участке II (^ < I < 12) наблюдается резкое возрастание скорости дуги с увеличением ее длины. При некоторой длине перешейка расплавленного металла он рвется, возникает дуга, которая приходит в быстрое движение. На более узких электродах скорость дуги возрастает быстрее. Участок II является переходным от капельно-жидкого состояния металла к газовому. С увеличением длины дуги влияние капелек и паров металла уменьшается, что приводит к возрастанию скорости дуги и продольного градиента в ней. Большая скорость расхождения контактов на участках I и II благоприятно сказывается как на износе контактов, так и на условиях гашения дуги.

На участке III (I > 12) имеем собственно дугу. С увеличением ее длины наблюдается некоторое снижение скорости ее движения. Под действием собствен­ного поля дуга стремится свернуться в спираль. Встречный поток воздуха, про­никая в дугу, стремится расщепить ее на отдельные волокна. С увеличением длины дуги тормозящее действие этих факторов сказывается сильнее. Рассматри­ваемые в настоящей главе закономерности движения дуги относятся к этому участку.